CN104022831A - 基于周期性阵列波导光栅的光与无线融合接入网 - Google Patents

Abstract

基于周期性阵列波导光栅的光与无线融合接入网，包括局端、馈线式光纤、基于二级分光的光分布式网络池、若干分布式光纤、若干无线用户单元、若干光网络单元，局端通过馈线式光纤连接至光分布式网络池，光分布式网络池的一级分光系统一部分连接至无线用户单元，另一部分通过二级分光单元连接各光网络单元；对于有线用户，局端光波池通过局端虚拟基带光波联合交换池实现光波资源的迁移；对于无线Fronthaul用户，局端虚拟基站集群通过光波池实现射频信号的调制与解调，再通过光波池连接至虚拟基带光波联合交换池；对于无线Backhaul用户，上行和下行数据通过虚拟基带光波联合交换池与光波池输出。本发明易于在现有网络的基础上升级改造，成本低廉。

Description

基于周期性阵列波导光栅的光与无线融合接入网

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体地，涉及一种基于周期性阵列波导光栅的光与无线融合接入网。

背景技术

随着高性能无线终端设备(智能手机，平板电脑等)的出现以及可视电话、高清视频、互动游戏和数据共享等大量多媒体业务的广泛推广，用户对于无线接入带宽的需求急剧增加。与此同时，支持家庭、企业、无线等全业务接入是PON的发展的一个主流方向。因此，如何借助于光接入网系统的框架实现大量高带宽的无线数据接入，进而实现光与无线数据的融合是当前接入网系统的主流方向。

为了较好地实现光与无线融合，FSAN组织成立了专门的“Mobile front-haul StudyGroup”，由FT牵头收集和整理运营商需求，进而加快PON承载无线数据的标准化进程。2013年7月，ITU-T全会也提交了Fronthaul的基本需求共识，进而为实现基于PON系统构架的光与无线融合方案打下了基础。在实际中，各种无线业务如3G、WiFi、M2M以及固定宽带业务所要求速率、距离、可靠性等都不同，采用由软件根据网络条件进行控制的可编程OLT将是未来基于同一平台高效实现固定无线融合接入的重要方向，硬件统一可以有效降低CAPEX/OPEX等等。

此外，对于网络运营商来说，基于PON系统的光无线融合也是他们关心的一个重要研究方向之一。2013年的OFC会议上，三大国际运营商，FT、DT、Telefonica在OFC2013联合提出统一的接入和汇聚网(NG-PON+NG-POP)支持FMC(Fixed MobileConvergence)，他们的目标是在同一光纤基础设施甚至是同一设备上融合传统PON接入和无线fronthaul。该方案的提出，首先，节省了CAPEX：部署一根光纤接入固定和移动用户；再者，节省OPEX：采用统一网络提高网络利用率；最后，符合当前国际上绿色节能的要求：使用PON无线backhaul/fronthaul，移动用户在Wi-Fi覆盖区断开无线网络连接。

基于时分复用和波分复用堆叠的无源光网络(TWDM-PON)的体系结构，因其实现成本相对低、可兼容性好(不改变现有ODN网络结构)等优点被认为是NG-PON2的主要发展方向。作为PON发展方向的TWDM-PON系统，不仅需要能够支持用户对大带宽的要求，而且需要能够承载Backhaul/Fronthaul、企业接入业务等实现全业务融合接入。

经对现有文献检索发现，中国移动公司提出了UniPON系统。该系统将无线数据从不同的射频拉远单元(RRU)或者不同Cell采用波分复用方式上传到基带处理单元(BBU)或者上层网络。UniPON系统中，Fronthaul/Backhaul业务借助了PON系统的光分布式网络结构，实现了光纤资源的共享进而克服了因铺设新的光纤系统而带来的成本问题。然而，在该系统中，FTTX依然采用纯TDM的复用方式，而无线数据的传输采用WDM的复用方式，且FTTX有线用户数据与无线用户数据之间仅仅是共用相同的光分布式网络，且无线数据业务内部不具有资源共享或迁移功能。同时，随着接入基于PON承载网络的用户增多，UniPON系统需要的波长资源也会随之增多，这就会在一定程度上造成波长资源的紧张。此外，移动用户以及FTTX用户数据都存在较为显著的“潮汐效应”。该效应的存在一方面将会需要较多的资源配置，另一方面将会形成资源的浪费，即会出现资源配置的不合理性。而UniPON系统中也没有充分考虑到该问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于周期性阵列波导光栅的光与无线融合接入网，基于堆叠波分时分复用的无源光网络承载的光与无线融合的传输系统。该系统充分利用TWDM-PON系统的高带宽接入的优点；该系统提出了光波池、微波池、ODN池等池化技术，可以有效地调配有线以及无线用户的数据资源，使位于同一个PON系统以及不同PON系统用户之间实现资源优化配置，节约了系统资源，一定程度上降低了系统功耗和成本；且该系统可重用TDM-PON系统的光分布式网络的结构，完全兼容与现有的TDM-PON系统，易于在现有系统的基础上实现升级改造；且在系统中的局端部署一个光波长路由器可以较好的实现多个TWDM-PON系统之间的波长迁移；在该系统中上下均采用波长可调谐的收发机，一定程度上增强了系统的灵活性；该系统能够支持全业务用户数据的接入，即支持FTTX用户、Fronthaul用户、backhaul用户接入等。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于周期性阵列波导光栅的光与无线融合接入网，主要由局端、馈线式光纤、基于二级分光的光分布式网络池、若干分布式光纤、若干无线用户(指RRU或者Cell用户)单元、若干光网络单元构成，其中，局端通过光线路终端经馈线式光纤连接至光分布式网络池，光分布式网络池的一级分光系统一部分连接无线用户，另一部分通过二级分光单元经分布式光纤连接各光网络单元或者无线用户单元；

对于有线的FTTX用户，所述局端包括光波池、虚拟基带光波联合交换池，所述光波池主要是由PON系统的光波资源、PON系统数据处理单元、无线Fronthaul数据处理单元、PON数据的电交换模块构成；光波池通过虚拟基带光波联合交换池用来实现不同PON系统之间的光波资源的迁移；

对于无线用户，分为两种：1)Fronthaul用户(RRU用户)，所述局端包括虚拟基站集群(即基站处理单元池)、光波池和虚拟基带光波联合交换池，其中，虚拟基站集群通过光波池实现射频信号的调制与解调，然后通过光波池连接至虚拟基带光波联合交换池，进而实现Fronthaul用户数据在光波与射频域内的交换；2)Backhaul用户(包括各种Cell以及WiFi用户)，所述局端包括光波池、虚拟基带光波联合交换池，上行的Backhaul用户数据主要是通过虚拟基带光波联合交换池连接至光波池，由光波池传送至核心网进一步处理；下行来自核心网的数据通过光波池连接至虚拟基带光波联合交换池，进而实现回传用户数据在光波上交换。

基于二级分光的光分布式网络池主要包括第一级光分路\合路器(splitter)、第二级光分路\合路器以及分布式光纤，其中局端通过光馈线光纤连接至第一级光分路\合路器，第一级光分路\合路器输出一部分通过光分布式光纤连接无线用户，输出另一部分通过第二级光分路\合路器经光分布式光纤连接至无源光网络单元或无线用户单元。

优选地，局端虚拟基站集群包括：BBU数据处理单元以及不同BBU数据之间的交换单元。

优选地，局端光波池包括：PON系统的下行可调谐的光发射模块、波长可调谐的下行无线数据发射模块、PON系统的上行数据接收模块以及上行无线数据接收模块。

优选地，PON系统以及无线数据下行可调谐的发射模块为具有波长可调谐功能的直接调制激光器或者波长调谐激光器和调制器构成的发射机。

直接调制激光器为DFB、MYG、VCSEL或DBR。

优选地，局端虚拟基带光波联合交换池主要是由NxN的周期性阵列波导光栅或者由两个1xN的周期阵列波导光栅组成的器件构成，用于实现不同PON系统之间的波长资源的调配，其中N取4、8、16、32、64等，其具体值取决于系统接入的有线以及无线用户数据的个数。

优选地，波长路由器是周期性阵列波导光栅。

优选地，光分布式网路单元池为两个二级分光的1:M光分路/合路器，其第一级的光分路/合路器的一部分用于将下行信号通过分布式光纤分发给与之相连的各个无线数据单元；同时，不同无线数据单元的不同波长的上行数据通过分布式光纤由合路器耦合，耦合后的上行数据通过馈线式光纤上传到光线路终端进行处理；其第二级的光分路/合路器的主要用于将下行信号通过分布式光纤分发给与之相连的各个无光网络单元；同时，不同光网络单元的不同波长的上行数据通过分布式光纤由合路器耦合，耦合后的上行数据由第一级的光分路/合路器通过馈线式光纤上传到光线路终端进行处理。

优选地，上述的M取4、8、16、32、64、128、256、512或者1024，其具体值主要取决于系统接入的有线以及无线用户数据的个数。

优选地，下行OFDM数据发射模块和上行数据接收模块的数量均为L个，L取4、8、16、32或64，其具体值主要取决于系统的容量。

优选地，光网络单元以及无线数据单元包括下行数据接收机、光可调滤波器、上行可调发射机，上下数据处理单元；其中两者不同之处，在于有线与无线的上下行处理单元不同，即用户数据类型不同；且无线的上行数据是通过天线获取，而下行数据是通过天线发射出去。

优选地，有线以及无线上行以及下行数据接收机为光电探测器，可以是普通的PIN，也可以为APD。

优选地，有线以及无线的上行可调发射机为直接调制激光器，可以为DFB、MYG、VCSEL或DBR。

对于有线以及无线数据的波段划分问题，因该结构采用周期性阵列波导光栅，故其有线和无线数据的波段之间的关键只要满足周期性阵列波导光栅的自由频谱范围整数倍即可。

本发明具有如下的有益效果：本发明通过构建了基于周期性阵列波导光栅的光与无线融合接入网，改变了普通的基于PON系统承载的无线与有线融合系统的资源配置方式，利用在局端构建局端虚拟基站集群模块不仅仅能够极大减少基站机房数量，减少配套设备特别是空调的能耗，提高射频功率效率，提高频谱效率等，而且能够实现了无线数据在射频域内的优化配置，一定程度上可以较好地克服了无线用户数据的“潮汐效应”，同时提高了无线用户数据接入能力；同时，该系统在局端还构建了光波池和虚拟基带光波联合交换池，通过该池化技术，一方面可以较好地提高系统的波长利用率；另一方面可以充分利用光波池中的可调收发机和虚拟基带光波联合交换池的光波交换技术，实现不同子系统之间的光波资源的迁移，一定程度上避免了无线用户与有线用户数据的“潮汐效应”造成的资源浪费，进而优化了整个系统内的资源配置和降低了系统功耗。同时，该系统可以沿用已存在的光纤分布式网络即不改变现有接入网系统结构，可以与现有的无源光网络实现完全兼容，易于在现有网络的基础上升级改造；此外，该系统采用了一个光纤分布式网络池化技术，该技术能够较好地将现存的几乎所有的PON系统都融合进来，进而较好的实现有线与无线的融合；在光纤分布式网络池内，该系统采用二级分光结构，其中一级分光用于无线用户(fronthaul/backhaul用户)的接入，二级分光点用于有线用户数据的接入，该二级分光的接入方式可充分利用有线与无线用户对系统性能差异化的要求；在光网络单元和无线用户接入单元端，该结构需要部署波长可调谐的直接调制激光器作为上行发射，可以一定程度降低无色光网络单元的成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明基于周期性阵列波导光栅的光与无线融合接入网的结构示意图；

图2为局端虚拟基带光波联合交换池原理图；

图3(a)为光网络单元结构图；

图3(b)为光网络单元原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例包括：局端、馈线式光纤、基于二级分光分布式网络池、若干分布式光纤、若干无线用户(指RRU或者Cell用户)单元、若干光网络单元。其中：局端通过光线路终端经馈线式光纤连接至光分布式网络池，光分布式网络池的一级分光系统一部分连接无线用户，另一部分用于连接通过二级分光分布式网络池经分布式光纤连接各光网络单元或者无线用户单元。其中，二级分光分布式网络池为两个二级分光的1:M光分路/合路器(M取4、8、16、32、64、128、256、512或者1024，具体地，取决于系统接入的有线以及无线用户数据的个数)，其第一级的光分路/合路器的一部分用于将下行信号通过分布式光纤分发给与之相连的各个无线数据单元；同时，不同无线数据单元的不同波长的上行数据通过分布式光纤由合路器耦合，耦合后的上行数据通过馈线式光纤上传到光线路终端进行处理；其第二级的光分路/合路器的主要用于将下行信号通过分布式光纤分发给与之相连的各个光网络单元；同时，不同光网络单元的不同波长的上行数据通过分布式光纤由合路器耦合，耦合后的上行数据由第一级的光分路/合路器通过馈线式光纤上传到光线路终端进行处理。

局端的基本结构如图1所示，包括：虚拟基站集群(即基站处理单元池)、光波池、虚拟基带光波联合交换池。局端虚拟基站集群包括：BBU数据处理单元以及不同BBU数据之间的交换单元；局端光波池，主要是由PON以及无线接入系统的下行可调谐的光发射模块、波长可调谐的下行无线数据发射模块、PON系统以及无线接入系统的上行数据接收模块以及上行无线数据接收模块。PON系统以及无线数据下行可调谐的发射模块为具有波长可调谐功能的直接调制激光器或者波长调谐激光器和调制器构成的发射机；波长可调谐激光器可以为DFB、MYG、VCSEL或DBR等。局端虚拟基带光波联合交换池模块主要是由基于波长路由器构成，主要用于实现不同系统之间的波长资源的调配，波长路由器是周期性阵列波导光栅N可取4、8、16、32或64等，其具体值根据该系统中所包含的TWDM-PON子系统个数来决定。

进一步地，对于接入该网络中的有线以及无线数据的波段划分问题，因该结构采用周期性阵列波导光栅，故其有线和无线数据的波段之间的关键只要满足周期性阵列波导光栅的自由频谱范围整数倍即可。

进一步地，局端虚拟基带光波联合交换池原理图如图2所示。

光分布式网络池用以将下行信号通过分布式光纤分发给与之相连的各个光网络单元/无线数据单元；同时，不同光网络单元/无线数据单元的上行信号通过分布式光纤由合路器耦合，耦合后的上行数据通过馈线式光纤上传到局端进行处理。

光网络单元/无线数据单元包括下行数据接收机、光可调滤波器、上行可调发射机，上下数据处理单元；其中两者不同之处，在于有线与无线的上下行处理单元不同，即用户数据类型不同；且无线的上行数据是通过天线获取，而下行数据是通过天线发射出去。有线以及无线上行以及下行数据接收机为光电探测器，可以是普通的PIN，也可以为APD。有线以及无线的上行可调发射机为直接调制激光器，可以为DFB、MYG、VCSEL或DBR等。

进一步地，光网络单元(ONU)/有线数据单元(RRU/Cell)原理图分别如图3(a)和图3(b)所示。

本实施例提出了基于周期性阵列波导光栅的光与无线融合接入网，具有以下的优点：

1)该系统改变了普通的基于PON系统承载的无线与有线融合系统的资源配置方式，利用在局端构建虚拟基站集群模块不仅仅能够极大减少基站机房数量，减少配套设备特别是空调的能耗，提高射频功率效率，提高频谱效率等，而且能够实现了无线数据在射频域内的优化配置，一定程度上可以较好地克服了无线用户数据的“潮汐效应”，同时提高了无线用户数据接入能力；

2)该系统在局端构建了光波池和虚拟基带光波联合交换池，其中，虚拟基带光波联合交换池，主要是由低成本的波长路由器件周期性阵列波导光栅构成。通过该池化技术，一方面可以较好地提高系统的波长利用率；另一方面可以充分利用光波池中的可调收发机和虚拟基带光波联合交换池的光波交换技术，实现不同PON以及无线用户的子系统之间的光波资源迁移，一定程度上避免了无线用户与有线用户数据的“潮汐效应”造成的资源浪费，进而优化了整个系统内的资源配置和降低了系统功耗；

3)该系统可以沿用已存在的光纤分布式网络即不改变现有接入网系统结构，可以与现有的无源光网络实现完全兼容，易于在现有网络的基础上升级改造；

4)该系统采用了一个光纤分布式网络池化技术，该技术能够较好地将现存的几乎所有的PON系统都融合进来，进而较好的实现有线与无线的融合；

5)在光纤分布式网络池内，该系统采用二级分光结构，其中一级分光用于无线用户(fronthaul/backhaul用户)的接入，二级分光点用于有线用户数据的接入，该二级分光的接入方式可充分利用有线与无线用户对系统性能差异化的要求；

6)在光网络单元和无线用户接入单元端，该结构可以部署波长可调谐的直接调制激光器作为上行发射，可以一定程度降低无色光网络单元的成本。

7)该结构改变现有的有线无线融合多接入网系统的烟囱式结构，采用树形结构实现多个接入网系统的融合。

尽管本发明的内容已经通过上述实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.基于周期性阵列波导光栅的光与无线融合接入网，其特征在于，主要由局端、馈线式光纤、基于二级分光的光分布式网络池、若干分布式光纤、若干无线用户单元及若干光网络单元构成，其中，局端通过馈线式光纤连接至光分布式网络池，光分布式网络池的一级分光系统一部分通过分布式光纤连接无线用户单元，另一部分通过二级分光单元经分布式光纤连接各光网络单元或者无线用户单元；

对于有线的FTTX用户，所述局端包括光波池、虚拟基带光波联合交换池，所述光波池主要是由PON系统的光波资源、PON系统数据处理单元、无线Fronthaul数据处理单元、PON数据的电交换模块构成；光波池通过虚拟基带光波联合交换池用来实现不同PON系统之间的光波资源的迁移；

对于无线用户，分为两种：1)Fronthaul用户，所述局端包括虚拟基站集群、光波池和虚拟基带光波联合交换池，其中，虚拟基站集群通过光波池实现射频信号的调制与解调，然后通过光波池连接至虚拟基带光波联合交换池，进而实现Fronthaul用户数据在光波与射频域内的交换；2)Backhaul用户，所述局端包括光波池、虚拟基带光波联合交换池，上行的Backhaul用户数据通过虚拟基带光波联合交换池连接至光波池，由光波池传送至核心网进一步处理；下行来自核心网的数据通过光波池连接至虚拟基带光波联合交换池，进而实现回传用户数据在光波上交换。

2.根据权利要求1所述的基于周期性阵列波导光栅的光与无线融合接入网，其特征在于，所述虚拟基站集群包括：BBU数据处理单元以及不同BBU数据之间的交换单元。

3.根据权利要求1所述的基于周期性阵列波导光栅的光与无线融合接入网，其特征在于，所述光波池包括：PON系统的下行可调谐的光发射模块、波长可调谐的下行无线数据发射模块、PON系统的上行数据接收模块以及上行无线数据接收模块。

4.根据权利要求1所述的基于周期性阵列波导光栅的光与无线融合接入网，其特征在于，所述虚拟基带光波联合交换池主要是由基于波长路由器组成。

5.根据权利要求3所述的基于周期性阵列波导光栅的光与无线融合接入网，其特征在于，所述PON系统以及下行无线数据发射模块为具有波长可调谐功能的直接调制激光器或者波长调谐激光器和调制器构成的发射机。

6.根据权利要求4所述的基于周期性阵列波导光栅的光与无线融合接入网，其特征在于，所述路由器主要是由NxN的周期性阵列波导光栅或者由两个1xN的周期阵列波导光栅组成的器件构成，用于实现不同PON系统之间的波长资源的调配，其中N取4、8、16、32、64，其具体值取决于系统接入的有线以及无线用户数据的个数。

7.根据权利要求1所述的基于周期性阵列波导光栅的光与无线融合接入网，其特征在于，所述基于二级分光的光分布式网络池为两个二级分光的1:M光分路/合路器，第一级的光分路/合路器的一部分用于将下行信号通过分布式光纤分发给与之相连的各个无线数据单元；同时，不同无线数据单元的不同波长的上行数据通过分布式光纤由合路器耦合，耦合后的上行数据通过馈线式光纤上传到光线路终端进行处理；第二级的光分路/合路器用于将下行信号通过分布式光纤分发给与之相连的各个光网络单元；同时，不同光网络单元的不同波长的上行数据通过分布式光纤由合路器耦合，耦合后的上行数据由第一级的光分路/合路器通过馈线式光纤上传到光线路终端进行处理，其中M取4、8、16、32、64、128、256、512或者1024，其具体值取决于系统接入的有线以及无线用户数据的个数。

8.根据权利要求1所述的基于周期性阵列波导光栅的光与无线融合接入网，其特征在于，所述光网络单元以及无线用户单元均包括下行数据接收机、光可调滤波器、上行可调发射机，上下行数据处理单元；两者不同之处在于：有线与无线的上下行数据处理单元不同，即用户数据类型不同；且无线的上行数据是通过天线获取，而下行数据是通过天线发射出去。

9.根据权利要求6所述的基于周期性阵列波导光栅的光与无线融合接入网，其特征在于，所述周期性阵列波导光栅的有线以及无线数据的波段划分，满足周期性阵列波导光栅的自由频谱范围整数倍。

10.根据权利要求8所述的基于周期性阵列波导光栅的光与无线融合接入网，其特征在于，所述下行数据接收机为光电探测器，所述上行可调发射机为直接调制激光器。